適合于5G微波/毫米波放大器的高頻PCB材料

瑞興諾PCB

適合于5G微波/毫米波放大器的高頻PCB材料

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      全球范圍數以萬計的語音連接和難以想象的數據文件需求，表明了第五代（5G）無線通信網絡出現的必然性。5G時代即將到來，它的應用需要為包括功率放大器（PA）在內的許多不同類型的高頻電路提供合適的電路材料。5G代表了當前無線技術中的最新和最值得關注的技術，它可以在許多不同的頻率上工作，如6GHz及以下頻率，以及毫米波頻率（通常為30GHz及以上）;而且它還需要接收來自地面基站和軌道衛星的網絡接入。因此從選擇電路板材料開始，其設計和制造都將會面臨挑戰，但是，通過對機械和電氣性能要求的仔細考量，仍可以選擇相應的高頻電路材料，無論工作頻率高低，都能使5G功率放大器的設計和開發成為可能。 理想情況下，都希望找到某一種高頻pcb電路材料可以適用于所有頻率的功率放大器應用。然而，不同頻率的放大器具有不同的設計要求，并且放大器需要選用具有不同特性的電路材料，從而適應不同的頻率。例如，插入損耗或損耗因子可能或多或少地取決于電路材料的類型。每種電路材料都會有一定程度的損耗，而損耗通常會隨著頻率的增加而增加。在5G使用的低頻微波頻段，某一給定的電路材料的損耗性能可能是可以接受的，因為其增益較高；但在毫米波頻率范圍內就變得不可接受，這是因為毫米波頻段下輸出功率將顯著變小，過高的損耗會導致信號功率電平較弱而無法接受。能在微波頻率下用于高功率和PA增益值低損耗電路材料并不是毫米波頻率下PA的最佳材料選擇。 對介電常數（Dk）這一關鍵電路材料參數的設計需求，在6GHz及以下的5G微波頻率上，與用于5G網絡的短距離回傳中的毫米波頻率上截然不同。為每個頻段尋找最佳電路材料時，就需要了解哪個Dk值最適合于這兩個不同頻率范圍。然后找到具有這些Dk值的電路材料，并兼顧材料的其他材料屬性，從而設計并制造出優異、高性能、高頻率的功率放大器。
無論是用于微波頻率還是毫米波頻率，用于功率放大器的電路材料都必須能夠支持功放管實現阻抗匹配。阻抗匹配對于低功率放大器中的有源器件（如驅動器放大器，甚至是低噪聲放大器（LNA））也是必需的。適合于完成阻抗匹配網絡的電路材料應能夠使電路的阻抗變化保持為最小，這通常需要材料具有非常嚴格厚度控制（厚度沒有變化）；非常嚴格的導體寬度控制，如微帶傳輸線，以保持相同的阻抗；還需要嚴格控制電路材料的銅箔厚度；以及嚴格控制電路材料的Dk值，尤其是其在不同溫度環境下的Dk。盡管具有嚴格控制的Dk值的電路材料可以幫助將高頻傳輸線的阻抗變化保持在狹窄范圍內容（例如3.50±0.05，±0.05或更低的Dk值公差的電路材料通常被認為是具有嚴格控制Dk值的材料），這也的確是功率放大器電路的阻抗匹配所需要的，但材料厚度的變化對阻抗匹配中阻抗的一致性則將產生更大的影響。
隨著頻率的增加，信號波長隨之減小，電路也隨之更小。許多用于微波和毫米波頻率的功率放大器電路設計，例如Doherty放大器，都依靠四分之一波長的傳輸線電路結構進行阻抗變換。這一結構的尺寸就是一個關于電路厚度的函數。如果電路材料的厚度沒有被嚴格控制，那么就很容易看到傳輸線和電路結構的阻抗是隨著材料厚度的變化而變化。通常，±10％或更小的厚度變化范圍是被認為進行了材料厚度嚴格控制的。
PCB熱管理
無論是在微波頻率還是在毫米波頻率下，PA電路的性能都會因受溫度變化的影響而產生變化，這個變化既來自于環境溫度，也來自于PA自身的有源器件所產生的熱量（如功率晶體管或IC）。在尋找適用于5G應用的微波和毫米波功率放大器的電路材料時，尋找能夠進行有效熱管理的電路材料對于降低功率放大器的性能變化至關重要，因為其自身有源器件會產生大量熱量而使溫度上升。 評估材料的熱性能時，有兩種電路材料參數特別有用：分別是導熱系數和介電常數熱穩定系數（TCDk）。 高導熱性能材料可以有效地將熱量從在PCB上的任何發熱有源器件（例如PA的功率晶體管）中通過熱流帶走。 持續的熱流不僅能消除熱量對晶體管可靠性產生的影響，而且有助于最大限度地降低熱引起的PA的性能變化。0.5 W / m·K或更高的導熱系數對于PCB材料來說可認為是性能優良的材料。 TCDk是電路材料的基本屬性，用于表征該材料的Dk值如何受溫度變化的影響。理想情況下，材料的TCDk為0 ppm /oC，Dk值不受溫度的變化而變化。 但實際的電路材料在溫度變化下，DK值會出現一些改變。一般而言，TCDk小于| 50 | ppm /oC時被認為是性能很好的材料，此時Dk隨溫度的變化很小。在5G系統中，對于需要用到較為準確的四分之一波長線的放大器和其他電路來說，低的TCDk值的電路材料將有助于最大限度地降低電路的性能差異。 與低頻功率放大器和電路相比，毫米波功率放大器及電路的信號波長更短，電路通常需要更薄的PCB材料，并且其厚度仍需要保持嚴格的公差。對于電路材料相關的其他特性帶來的影響，如銅表面粗糙度，較薄的電路材料甚至比較厚的電路材料更敏感。銅表面粗糙度會導致電路傳輸線損耗和相位變化等，因此在5G微波和毫米波功率放大器中的小波長、高頻率電路應用來說，選定的材料的銅箔表面粗糙度都應該盡可能小。 為了提供5G放大器所需特性的電路材料，這里列舉了來自羅杰斯公司的兩種不同厚度和特性的材料作為不同頻率范圍應用示例。例如，對于6GHz及以下頻率的5G 功率放大器，厚度為20mil和30mil的陶瓷填充的電路材料，RO4385™是較好的選擇。它是低成本、高性價比的電路材料，能在較寬溫度范圍內保持一致的性能。 它們在10GHz時的z軸(厚度方向)介電常數Dk是3.48，公差嚴格控制在±0.05內。并且可使用標準環氧樹脂/玻璃（FR-4）工藝進行加工制造，非常適用于低頻段5G功放的應用中。
對于毫米波頻率下的5G功率放大器，厚度為5mil和10mil的RO3003™層壓板就是非常合適的選擇。RO3003™材料是由陶瓷所填充的PTFE(聚四氟乙烯)材料。它在10 GHz時的Z軸(厚度方向)的介電常數是3.0，公差在±0.04以內。它具有極低的損耗特性，有助于毫米波頻段功率放大器電路中獲得最大的增益，也非常適用于未來5G無線網絡的信號回傳的各種毫米波頻段應用。